看看使用碳化硅MOSFET提升工業(yè)驅動(dòng)器的能源效率詳解

目前工業(yè)傳動(dòng)通常採用一般所熟知的硅基IGBT反相器（inverter），但最近開(kāi)發(fā)的碳化硅MOSFET元件，為這個(gè)領(lǐng)域另外開(kāi)闢出全新的可能性。

主要的技術(shù)關(guān)鍵推手和應用限制

以反相器為基礎的傳動(dòng)應用，最常見(jiàn)的拓撲就是以6個(gè)電源開(kāi)關(guān)連接3個(gè)半橋接電橋臂。

每一個(gè)半橋接電橋臂，都是以歐姆電感性負載（馬達）上的硬開(kāi)關(guān)換流運作，藉此控制它的速度、位置或電磁轉距。因為電感性負載的關(guān)係，每次換流都需要6個(gè)反平行二極體執行續流相位。當下旁（lower side）飛輪二極體呈現反向恢復，電流的方向就會(huì )和上旁（upper side）開(kāi)關(guān)相同，反之亦然；因此，開(kāi)啟狀態(tài)的換流就會(huì )電壓過(guò)衝（overshoot），造成額外的功率耗損。這代表在切換時(shí)，二極體的反相恢復對功率損失有很大的影響，因此也會(huì )影響整體的能源效率。

跟硅基FWD搭配硅基IGBT的作法相比，碳化硅MOSFET因為反向恢復電流和恢復時(shí)間的數值都低很多，因此能大幅減少恢復耗損以及對能耗的影響。

圖1和圖2分別為50 A-600 VDC狀況下，碳化硅MOSFET和硅基IGBT在開(kāi)啟狀態(tài)下的換流情形。請看藍色條紋區塊，碳化硅MOSFET的反向恢復電流和反向恢復時(shí)間都減少很多。開(kāi)啟和關(guān)閉期間的換流速度加快可減少開(kāi)關(guān)時(shí)的電源耗損，但開(kāi)關(guān)換流的速度還是有一些限制，因為可能造成電磁干擾、電壓尖峰和振盪問(wèn)題惡化。

MOSFET,碳化硅

除此之外，影響工業(yè)傳動(dòng)的重要參數之一，就是反相器輸出的快速換流暫態(tài)造成損害的風(fēng)險。換流時(shí)電壓變動(dòng)的比率（dv/dt）較高，馬達線(xiàn)路較長(cháng)時(shí)確實(shí)會(huì )增加電壓尖峰，讓共模和微分模式的寄生電流更加嚴重，長(cháng)久以往可能導致繞組絕緣和馬達軸承故障。因此為了保障可靠度，一般工業(yè)傳動(dòng)的電壓變動(dòng)率通常在5-10 V/ns。

雖然這個(gè)條件看似會(huì )限制碳化硅MOSFET的實(shí)地應用，因為快速換流就是它的主要特色之一，但專(zhuān)為馬達控制所量身訂做的1200 V 硅基IGBT，其實(shí)可以在這些限制之下展現交換速度。在任何一個(gè)案例當中，無(wú)論圖1、圖2、圖3、圖4都顯示，跟硅基IGBT相比，碳化硅MOSFET元件開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)都保證能減少能源耗損，即使是在5 V/ns的強制條件下。

MOSFET,碳化硅

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)效能

以下將比較兩種技術(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特質(zhì)，設定條件為一般運作，接面溫度TJ = 110℃。圖5為兩種元件的輸出靜態(tài)電流電壓特性曲線(xiàn)（V-I curves）。兩相比較可看出無(wú)論何種狀況下碳化硅MOSFET的優(yōu)勢都大幅領(lǐng)先，因為它的電壓呈現線(xiàn)性向前下降。

即使碳化硅MOSFET必須要有VGS = 18 V才能達到很高的RDS（ON），但可保證靜態(tài)效能遠優(yōu)于硅基IGBT，能大幅減少導電耗損。

MOSFET,碳化硅

兩種元件都已經(jīng)利用雙脈波測試，從動(dòng)態(tài)的角度加以分析。兩者的比較是以應用為基礎，例如600 V匯流排直流電壓，開(kāi)啟和關(guān)閉的dv/dt均設定為5 V/ns。

圖6為實(shí)驗期間所測得數據之摘要。跟硅基IGBT相比，在本實(shí)驗分析的電流范圍以?xún)龋蓟鐼OSFET的開(kāi)啟和關(guān)閉能耗都明顯較低（約減少50%），甚至在5 V/ns的狀況下亦然。

MOSFET,碳化硅

碳化硅MOSFET對能源成本的經(jīng)濟影響

當工業(yè)應用對能源的需求較高且必須密集使用，能源效率就成了關(guān)鍵因素之一。

為了將模擬的能源耗損數據結果轉換成能源成本比較概況，必須就年度的負載設定檔和能源成本這些會(huì )隨著(zhù)時(shí)間或地點(diǎn)而有所不同的參數，設定一些基本假設。為達到簡(jiǎn)化的目的，我們把狀況設定在只含兩種功率位階（負載因素100和50%）的基本負載設定檔。設定檔1和設定檔2的差別，只在于每個(gè)功率位準持續的時(shí)間長(cháng)短。為凸顯能源成本的減少，我們將狀況設定為持續運作的工業(yè)應用。任務(wù)檔案1設定為每年有60%的時(shí)間處于負載50%，其他時(shí)間（40%）負載100%。

對于每個(gè)任務(wù)檔案全年能源成本的經(jīng)濟影響，乃以0.14 €/kWh為能源成本來(lái)計算（歐洲統計局數據，以非家庭用戶(hù)價(jià)格計算）。

從表4可以看出，碳化硅MOSFET每年可省下895.7到1415 kWh的能源。每年可省下的對應成本在125.4到198.1歐元之間，如電壓變動(dòng)比率限制不那麼嚴格，則可省更多。

MOSFET,碳化硅